Une nouvelle technique pour intégrer les matériaux 2D de quelques atomes d’épaisseur

Une nouvelle technique pour intégrer les matériaux 2D de quelques atomes d'épaisseur

Les matériaux bidimensionnels, qui ne font que quelques atomes d’épaisseur, peuvent présenter des propriétés incroyables, comme la capacité de transporter une charge électrique de manière extrêmement efficace. Cela pourrait améliorer les performances des appareils électroniques de nouvelle génération.

L’intégration de ces matériaux 2D dans des dispositifs et des systèmes comme les puces informatiques est notoirement difficile. Pour surmonter ce défi, des chercheurs du MIT ont développé une nouvelle technique pour intégrer les matériaux 2D dans les dispositifs en une seule étape tout en gardant les surfaces des matériaux et les interfaces résultantes intactes et exemptes de défauts.

Une nouvelle approche pour l’intégration des matériaux 2D

La méthode développée par les chercheurs repose sur l’ingénierie des forces de surface disponibles à l’échelle nanométrique pour permettre au matériau 2D d’être physiquement empilé sur d’autres couches de dispositifs préfabriqués.

Comme le matériau 2D reste intact, les chercheurs peuvent tirer pleinement parti de ses propriétés optiques et électriques uniques. Ils ont utilisé cette approche pour fabriquer des réseaux de transistors 2D qui ont atteint de nouvelles fonctionnalités par rapport aux dispositifs produits à l’aide de techniques de fabrication conventionnelles.

Leur méthode, qui est suffisamment polyvalente pour être utilisée avec de nombreux matériaux, pourrait avoir diverses applications dans l’informatique haute performance, la détection et l’électronique flexible. Au cœur de ces nouvelles fonctionnalités se trouve la capacité de former des interfaces propres, maintenues ensemble par des forces spéciales qui existent entre toute matière, appelées forces de van der Waals.

La plateforme développée s’appuie sur des ensembles d’outils compatibles avec l’industrie, ce qui permet de mettre le processus à l’échelle. Ici, l’auteur principal Peter Satterthwaite utilise un outil d’alignement modifié dans MIT.nano pour réaliser une intégration alignée à motifs. Crédit : Courtesy of Weikun Zhu

Les défis de l’intégration de van der Waals

L’intégration de van der Waals de matériaux en dispositifs entièrement fonctionnels n’est pas toujours facile, explique Farnaz Niroui, professeure adjoint de génie électrique et d’informatique (EECS), membre du Laboratoire de recherche en électronique (RLE).

« L’intégration de van der Waals a une limite fondamentale », explique-t-elle. « Comme ces forces dépendent des propriétés intrinsèques des matériaux, elles ne peuvent pas être facilement ajustées. En conséquence, il y a certains matériaux qui ne peuvent pas être directement intégrés les uns avec les autres en utilisant uniquement leurs interactions de van der Waals. Nous avons mis au point une plateforme pour surmonter cette limite et rendre l’intégration de van der Waals plus polyvalente, afin de promouvoir le développement de dispositifs basés sur des matériaux 2D avec de nouvelles fonctionnalités améliorées. »

Les diverses forces de surface disponibles à l’échelle nanométrique permettent aux chercheurs d’adapter le transfert de matrice adhésive à de nombreux matériaux différents. Par exemple, ici, en utilisant des polymères adhésifs, ils sont capables de transférer du graphène à motifs, une feuille de carbone d’un atome d’épaisseur, d’un substrat source (image du haut) à un polymère adhésif récepteur (image du bas). Crédit : Avec l’aimable autorisation du groupe Niroui

Une attraction avantageuse

Faire des systèmes complexes comme une puce informatique avec des techniques de fabrication conventionnelles peut être compliqué. En général, un matériau rigide comme le silicium est taillé à l’échelle nanométrique, puis interfacé avec d’autres composants comme des électrodes métalliques et des couches isolantes pour former un dispositif actif. Un tel traitement peut endommager les matériaux.

Récemment, les chercheurs se sont concentrés sur la construction de dispositifs et de systèmes de bas en haut, en utilisant des matériaux 2D et un processus qui nécessite un empilement physique séquentiel.

Dans cette approche, plutôt que d’utiliser des colles chimiques ou des températures élevées pour lier un matériau 2D fragile à une surface conventionnelle comme le silicium, les chercheurs exploitent les forces de van der Waals pour intégrer physiquement une couche de matériau 2D sur un dispositif.

En synthèse

Les forces de van der Waals sont des forces naturelles d’attraction qui existent entre toute matière. Par exemple, les pieds d’un gecko peuvent adhérer temporairement au mur grâce aux forces de van der Waals. Bien que tous les matériaux présentent une interaction de van der Waals, en fonction du matériau, les forces ne sont pas toujours suffisamment fortes pour les maintenir ensemble.

Par exemple, un matériau 2D semi-conducteur populaire connu sous le nom de disulfure de molybdène adhérera à l’or, un métal, mais ne se transférera pas directement aux isolants comme le dioxyde de silicium en entrant simplement en contact physique avec cette surface. Par contre, les hétéro-structures réalisées en intégrant des couches semi-conductrices et isolantes sont des éléments clés d’un dispositif électronique.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau bidimensionnel ?

Un matériau bidimensionnel est un matériau qui n’a que quelques atomes d’épaisseur. Ces matériaux peuvent présenter des propriétés incroyables, comme la capacité de transporter une charge électrique de manière extrêmement efficace.

Qu’est-ce que l’intégration de van der Waals ?

L’intégration de van der Waals est une méthode qui utilise les forces de van der Waals pour intégrer physiquement une couche de matériau 2D sur un dispositif. Les forces de van der Waals sont des forces naturelles d’attraction qui existent entre toute matière.

Quels sont les défis de l’intégration de van der Waals ?

L’intégration de van der Waals a une limite fondamentale. Comme ces forces dépendent des propriétés intrinsèques des matériaux, elles ne peuvent pas être facilement ajustées. En conséquence, il y a certains matériaux qui ne peuvent pas être directement intégrés les uns avec les autres en utilisant uniquement leurs interactions de van der Waals.

Qu’est-ce que le disulfure de molybdène ?

Le disulfure de molybdène est un matériau 2D semi-conducteur populaire. Il adhérera à l’or, un métal, mais ne se transférera pas directement aux isolants comme le dioxyde de silicium en entrant simplement en contact physique avec cette surface.

Qu’est-ce qu’une hétérostructure ?

Une hétérostructure est réalisée en intégrant des couches semi-conductrices et isolantes. Ces structures sont des éléments clés d’un dispositif électronique.

Références

Légende illustration principale : Cette vue d’artiste montre une nouvelle plateforme d’intégration mise au point par des chercheurs du MIT. Grâce à l’ingénierie des forces de surface, ils peuvent intégrer directement des matériaux 2D dans des dispositifs en une seule étape de contact et de relâchement. Crédit : Sampson Wilcox/Research Laboratory of Electronics

MIT News. (2023, December 12). New method for integrating 2D materials

Article : “Van der Waals device integration beyond the limits of van der Waals forces using adhesive matrix transfer” – s41928-023-01079-8

[ Rédaction ]

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